Научная статья на тему 'Обоснование мембранных способов разделения молочной сыворотки'

Обоснование мембранных способов разделения молочной сыворотки Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

CC BY
1991
342
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МОЛОЧНАЯ СЫВОРОТКА / ПОДСЫРНАЯ СЫВОРОТКА / ТВОРОЖНАЯ СЫВОРОТКА / КАЗЕИНОВАЯ СЫВОРОТКА / МИКРОФИЛЬТРАЦИЯ / УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИЯ / НАНОФИЛЬТРАЦИЯ / ОБРАТНЫЙ ОСМОС / ЭЛЕКТРОДИАЛИЗ / СЫВОРОТОЧНЫЕ БЕЛКИ / MILK WHEY / CHEESE WHEY / COTTAGE CHEESE WHEY / CASEIN WHEY / MICROFILTRATION / ULTRAFILTRATION / NANOFILTRATION / REVERSAL OSMOSIS / ELECTRODIALYSIS / WHEY PROTEINS

Аннотация научной статьи по прочим сельскохозяйственным наукам, автор научной работы — Майоров Александр Альбертович, Сурай Наталья Михайловна, Бузоверов Сергей Юрьевич

Представлены данные исследований мембранных методов разделения молочной сыворотки. Предложены наиболее эффективные пути переработки молочной сыворотки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим сельскохозяйственным наукам , автор научной работы — Майоров Александр Альбертович, Сурай Наталья Михайловна, Бузоверов Сергей Юрьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The research data on membrane techniques of milk whey separation is presented. The most effective techniques of milk whey processing are proposed.

Текст научной работы на тему «Обоснование мембранных способов разделения молочной сыворотки»

ПЕРЕРАБОТКА ПРОДУКЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

УДК 637.131.2 А.А. Майоров,

Н.М. Сурай, С.Ю. Бузоверов ОБОСНОВАНИЕ МЕМБРАННЫХ СПОСОБОВ РАЗДЕЛЕНИЯ МОЛОЧНОЙ СЫВОРОТКИ

Ключевые слова: молочная сыворотка, подсырная сыворотка, творожная сыворотка, казеиновая сыворотка, микрофильтрация, ультрафильтрация, нанофильтрация, обратный осмос, электродиализ, сывороточные белки.

Введение

Проблема дефицита молочного сырья в России и повышения эффективности молочной промышленности может быть решена за счет использования молочной сыворотки, ресурсы которой в нашей стране превышают 3,5 млн т в год. Переработка молочной сыворотки остается одной из главных проблем молочной промышленности [1].

Рациональное использование продуктов, получаемых из молочной сыворотки, является не менее актуальной и значимой проблемой, как и промышленная переработка. К сожалению, ей уделяется, в том числе переработчиками, потребителями и инвесторами, недостаточное внимание. Так, если в странах с высокоразвитой молочной промышленностью (США, Канада и др.) до 90% сыворотки идет на производство продуктов питания и кормовых средств, то в России только около 50% ее подвергается промышленной переработке [2, 3].

Таким образом, задача полного использования молочной сыворотки остается нерешенной и требует внедрения в практику новых технических и технологических решений. Молочная промышленность имеет достаточные резервы сыворотки, что указывает на актуальность поиска новых способов ее переработки.

Молочная сыворотка является нормальным побочным продуктом при производстве сыров, творога, казеина, молочнобелковых концентратов и может быть отнесена к вторичным сырьевым ресурсам молочного подкомплекса АПК.

Наиболее ценными компонентами молочной сыворотки являются сывороточные белки (альбумин и глобулин), содержание которых достигает 1%. Биологическая ценность их обусловлена оптимальным набором жизненно незаменимых аминокислот. Энергетическая ценность составляет 36% от цельного молока. Наряду с питательной ценностью молочная сыворотка и продукты, получаемые из нее, имеют диетическое и лечебное значение.

Результаты исследований

Развивающееся направление в переработке молока и молочных компонентов, основанное на использовании мембранных технологий, позволяет разрабатывать технологии, использующие преимущества мембранных технологий (ультрафильтрацию, нанофильтрацию, обратный осмос) с применением традиционных технологических приемов термокоагуляции белков. Небольшие габариты мембранных установок, их способность к изменению режимов работы, возможность коррекции состава получаемых продуктов позволяют разрабатывать широкую гамму продуктов с различным составом.

Мембранные методы обработки можно разделить на два основных принципиальных направления: гиперфильтрация (микро-

фильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос) и электродиализ (рис.). Сущность мембранных технологий основана на свойствах молочной сыворотки как гетерогенной системы с чётко выраженной селективностью компонентов по молекулярной массе, размерам и ионной силе. Применительно к молочной сыворотке главными достоинствами мембранных способов разделения являются:

• возможность направленного регулирования её состава и свойств при сравнительно небольших энергетических затратах;

• создание на этой основе новых молочных продуктов с пониженной калорийностью и высокой биологической ценностью;

• рациональное использование молочной сыворотки на основе малоотходных и безотходных технологических процессов.

Процесс гиперфильтрации основан на принципе обратного осмоса. Часть компонентов раствора, прежде всего растворитель, за счёт давления, создаваемого на раствор, проходит через мембрану, а другая, например, белки, задерживается. Происходит концентрация раствора.

Гиперфильтрацию в зависимости от пористости применяемой мембраны и эффективности процесса разделения гетерогенных растворов условно делят.

Ультрафильтрация. В случаях, когда осмотическое давление пренебрежимо мало по сравнению с рабочим давлением, что, например, характерно для водных растворов высокомолекулярных веществ, процесс разделения растворов с помощью полупроницаемых мембран называют ультрафильтрацией. Для проведения ультрафильтрации используют полупроницаемые мембраны диаметром пор от 10 до 100 нм, способные

задерживать компоненты с молекулярной массой от 104 и выше. При ультрафильтрации мембрана задерживает только высокомолекулярные соединения и пропускает с фильтратом вещества, образующие «истинный» раствор. При ультрафильтрации молочной сыворотки задерживается (концентрируется) белок, а в фильтр уходят соли и лактоза. В фильтрат переходит около 30% кальция, 90% калия и натрия, 70% магния, 80% хлора и 50% фосфора, содержащихся в исходной сыворотке.

В результате ультрафильтрации получаются белковые концентраты, содержащие высокомолекулярные соединения молочной сыворотки, и фильтрат (пермеат) — раствор лактозы, минеральных солей и других низкомолекулярных соединений.

Основной задачей управления процессом ультрафильтрации является поддержание заданных технологических режимов с получением белковых концентратов с разной массовой долей сухих веществ [2]. Состав и физико-химические показатели УФ-концен-тратов в зависимости от массовой доли сухих веществ представлены в таблице.

Фильтрат молочной сыворотки

Концентрирование

Обратный осмос Нанофильтр ация

Фильтрация

Изомеризация

4-----

Электродиализ

Ионный обмен

Сгущение

Сушка

Продукты общего и специального назначения

Рис. Принципиальная схема переработки молочной сыворотки мембранными методами

Таблица

Состав и физико-химические показатели сывороточных УФ-концентратов

Показатели Фактор концентрирования

0 8-9 18-19

Массовая доля, % — сухих веществ — общего азота (Ых6,38) — белкового азота (Ых6,38) — лактозы — золы — жира 6,0±0,3 0,95±0,7 0,65±0,6 4,45±0,15 0,53±0,05 0,05±0,01 10,87±0,30 4,25±0,25 3,64±0,15 5,16±0,15 0,78±0,05 0,50±0,05 19,79±0,4 11,93± 0,35 10,40± 0,25 5,43±0,15 1,03±0,06 1,10±0,05

Плотность, кг/см3 1024±2 1034 ±2 1055±2

Коэффициент рефракции 1343 ±1 1351±1 1366±2

Титруемая кислотность, °Т 15±2 25±2 40± 3

Частным случаем ультрафильтрации является диафильтрация, используемая для получения высокобелковых молочных концентратов. При диафильтрации концентраты, получаемые ультрафильтрацией, разбавляют водой (лучше деминерализованной) и подвергают повторной ультрафильтрации с целью «вымывания» низкомолекулярных компонентов, в частности лактозы и минеральных веществ.

Недостаток ультрафильтрации и других методов мембранного разделения заключается в том, что одновременно с концентрированием белка происходит и концентрирование жировой фракции, что обусловлено практически полной селективностью мембран по жиру.

Обратный осмос. Разграничить высоко-и низкомолекулярные соединения трудно, деление это условно, поэтому нельзя четко разграничить процесс ультрафильтрации и обратного осмоса. В обоих случаях требуется преодолеть осмотическое давление фильтруемого раствора, так как растворитель переносится в направлении, противоположном возрастанию концентрации растворенного вещества, задерживаемого фильтром. Способом обратного осмоса производят концентрирование всех веществ, находящихся в растворе, и выделение чистого растворителя из раствора, за исключением некоторого количества одновалентных ионов №, К, С1. Практически обратный осмос сводится к сгущению раствора.

Фильтры, применяемые для ультрафильтрации и обратного осмоса, принципиально различаются лишь размерами пор, последние мельче и обеспечивают перенос только растворителя. При обратном осмосе применяют полупроницаемые мембраны диаметром пор от 1 до 10 мм, способные задерживать компоненты раствора с молекулярной массой от 50 D и выше. Преимуществом обратного осмоса перед существующими способами концентрации растворов (например, сгущения в вакуум-выпарных установках) является возможность проведения про-

цесса при любых температурах. Кроме того, расчёты показывают, что затраты энергии при обратном осмосе меньше, чем при использовании других традиционных способов концентрации, а расход тепловой энергии может быть исключен совсем. Оптимальным считается концентрирование методом обратного осмоса до массовой доли сухих веществ 20-30%.

Обратный осмос должен найти применение для концентрирования сыворотки, что снизит потери и расширит пути ее рационального использования. Кроме того, одним из перспективных направлений использования обратного осмоса является обработка соленой сыворотки в целях исключения нежелательных явлений, связанных с наличием хлористого натрия, а также обработка конденсата вакуум-выпарных установок, что позволит рационально использовать оборотную воду и уловить отходящие с пеной и вторичными парами компоненты молочного сырья.

Электродиализ. Одним из эффективных способов деминерализации молочной сыворотки является электродиализ. Применение электролиза позволяет снизить в сыворотке содержание минеральных веществ. Сущность процесса электродиализа заключается в том, что селективная ионитовая мембрана (перегородка) находится в контакте с раствором, под влиянием электрического поля пропускает ионы одного заряда и служит барьером для ионов противоположного заряда.

При пропускании постоянного (или выпрямленного) электрического тока катионы солей, содержащихся в молочной сыворотке и рабочем растворе, перемещаются по направлению к катоду, а анионы солей — к аноду.

Электронейтральные молекулы других веществ, входящих в состав молочной сыворотки, в электродиализном процессе не участвуют, поэтому при электродиализном обессоливании молочной сыворотки в рабочий раствор переходят только ионы солей, а содержание белков и лактозы не меняется.

Изучение деминерализации творожной сыворотки показало возможность удаления до 90% минеральных веществ при незначительных потерях сывороточных белков и лактозы.

Электродиализ молочной сыворотки не оказывает существенного влияния на качество и содержание сывороточных белков, лактозы и витаминов. В результате электро-диализной обработки органолептические показатели молочной сыворотки значительно улучшаются.

Установлено, что при обессоливании натуральной сыворотки капитальные и производственные затраты выше, чем при обес-соливании сгущенной сыворотки, на 15% при 59%-ном и на 30% - при 90%-ном уровне деминерализации. Сгущение сыворотки приводит к снижению энергозатрат на процесс ее обессоливания и на перекачивание насосами, а также к повышению рабочей плотности тока и, следовательно, скорости обессоливания.

Полученные методом электродиализа продукты часто используются в качестве основы для заменителей женского молока.

В последнее время разрабатывается комбинированная технология, предусматривающая объединение методов электродиа-

лиза и ультрафильтрации. При этом получают сухой белковый препарат с максимальной концентрацией белка 35% и содержащий лактозу деминерализованный ультрафильтрат.

Заключение

При решении проблемы переработки молочной сыворотки необходима комбинация нескольких процессов разделения или концентрирования, позволяющая при минимальных затратах обеспечить производство высококачественных и безопасных продуктов, включающих все компоненты молочной сыворотки.

Библиографический список

1. Червецов В.В., Яковлева Т.А., Евдокимов И.А. Процессы и методы переработки молочной сыворотки // Переработка молока. — 2007. — № 12. — С. 30-32.

2. Кравченко Э.Ф. Прогрессивные технологии переработки молочной сыворотки // Переработка молока. — 2006. — № 4. — С. 36-37.

3. Храмцов А.Г., Нестеренко П.Г. Безотходная переработка молочного сырья: учебное издание. — М.: КолосС, 2008. — 200 с.

+ + +

УДК 633.13 В.А. Марьин,

А.Л. Верещагин ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА И КАЧЕСТВО ХЛОПЬЕВ «ГЕРКУЛЕС», ВЫРАБОТАННЫХ ИЗ ЗЕРНА ОВСА С РАЗЛИЧНОЙ НАЧАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТЬЮ

Ключевые слова: гидротермическая обработка (ГТО), зерно овса, хлопья овсяные «Геркулес», влажность, аминокислота, аминокислотный СКОР, овсяная каша.

Овес является одной из наиболее ценных крупяных культур. Однако в последнее время качество овса, поставляемого на переработку, ухудшается вследствие хранения зерна с повышенной влажностью у производителей.

Целью работы является изучение влияния влажности зерна овса на показатели качества крупы, в том числе на аминокислотный состав.

Для испытаний были отобраны партии зерна овса сорта «Аргумент», собранного в предгорной зоне Алтайского края в 2009 г., которые характеризовались повышенной увлажненностью (гидротермический коэф-

фициент 1,5) при пониженной против многолетних значений средней температуре в вегетационный период.

В качестве исходного сырья были взяты партии зерна с различной начальной влажностью (12,6-15,8%), такое зерно хранилось у производителей в условиях напольного складирования в течение нескольких месяцев.

Поступающие партии зерна формировались по влажности и направлялись без предварительной сушки в переработку на овсоцех.

Объём партий формировался таким образом, чтобы отобранный для исследования образец являлся среднесменным. При переработке зерна для определения массой доли белка и исследования аминокислотного состава в исследуемых партиях отбирались среднесменные образцы зерна и хлопьев овсяных «Геркулес».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.